(57)【要約】【課題】磁路にギャップを設けたり、巻線を磁気抵抗の異なる二つの磁路に形成するという複雑な巻線加工を行ったりすることなく、インダクタンスが小電流時には大きく、大電流時には小さくなるように非線形に変化することができる有芯コイルを提供する。【解決手段】トロイダルコイル１１は、コア１２と、コア１２の周囲に導線を巻回して形成した巻線１３とから構成されている。コア１２は、２個の円環状のコア部材１４，１５が接合されて構成されたトロイダルコアである。各コア部材１４，１５は、磁気抵抗が異なる磁性材料で形成されている。コア部材１４には透磁率が比較的高く、磁気飽和し易い材料が使用され、コア部材１５には透磁率が低く、磁気飽和し難い材料が使用されている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
透磁率が異なる磁性材料で形成された複数のコア部材が接合されて、磁気抵抗が異なる環状でギャップのない複数の磁路が設けられたコアと、前記コアに対して前記複数の磁路に共通して巻回された巻線とを備えている有芯コイル。
【請求項２】
前記コアは、軸方向と直交する断面形状が同じ環形状の２個のコア部材を組み合わせて構成され、前記コア部材が前記環形状の重なる並列状に配置されている請求項１に記載の有芯コイル。
【請求項３】
前記コアはトロイダルコアである請求項２に記載の有芯コイル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有芯コイルに係り、詳しくはスイッチング電源等に用いられるチョークコイルとして好適な有芯コイルに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＤＣ−ＤＣコンバータ等のスイッチング制御方式の電源回路では、整流後の直流電流に含まれるリプル成分を減衰させて平滑化するためのチョークコイルが用いられる。リプル成分減衰のためにはインダクタンスが大きいことが必要である。しかし、インダクタンスを大きくするために、透磁率の高いコアを用いると、大電流時に磁気飽和を起こしてしまうため、コアの一部にギャップを設けたり、磁性粉末に絶縁処理を施して圧縮成形したりするといった手法でコアとして透磁率を低下させる手法が用いられている。
【０００３】
一方、電源回路側では、小電流（軽負荷）から大電流（重負荷）まで広いレンジで効率を良く供給しようとした場合、小電流時はリプル電流が平均電流に比較して大きくなり、電源効率が悪くなるという問題があった。そこで、小電流時の効率を良くするため、小電流時のインダクタンスが特に大きいチョークコイルが要望されている。
【０００４】
電力変換効率及び負荷変動応答特性を考慮しながら大電流から小電流までの広い出力レンジを効率良くカバーする電源装置を構成するため、小電流時にインダクタンスが大きく、大電流時にインダクタンスが小さくなるコイル（インダクタ）が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。インダクタンスが前記のような非線形の特性を有するようにする手法として、特許文献１には、ＥＩ型のコアの中足部に間隔の異なる二種類のギャップ、即ち段付きギャップを設けることにより形成する方法が記載されている。また、図６に示すように、ＥＩ型のコア５１の中足部５２にギャップ５３を設けるとともに、同一の導線の一部を中足部５２に巻回して第１のコイル５４とし、一部を一方の外足部５５に巻回して第２のコイル５６とする構成が開示されている。
【特許文献１】特開２００２−５７０４６号公報（明細書の段落［０００３］、［００１６］〜［００２１］、図１，図８）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、コアにギャップが存在すると、ギャップからの漏洩磁束によりノイズが発生したり、漏洩磁束が巻線に鎖交することで近接効果が発生して銅損の増加を招くという問題がある。また、段付きギャップの加工には工数がかかるという問題もある。また、同一の導線の一部を中足部５２に巻回して第１のコイル５４とし、一部を一方の外足部５５に巻回して第２のコイル５６とする構成では、巻線工程が複雑になるという問題がある。
【０００６】
本発明は、前記の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は磁路にギャップを設けたり、巻線を磁気抵抗の異なる二つの磁路に形成するという複雑な巻線加工を行ったりすることなく、インダクタンスが小電流時には大きく、大電流時には小さくなるように非線形に変化することができる有芯コイルを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、透磁率が異なる磁性材料で形成された複数のコア部材が接合されて、磁気抵抗が異なる環状でギャップのない複数の磁路が設けられたコアと、前記コアに対して前記複数の磁路に共通して巻回された巻線とを備えている。コアの形状はトロイダル形（ドーナツ形）に限らず、二つのＥ形コアを組み合わせたＥＥ形やＥ形コアとＩ形コアとを組み合わせたＥＩ形等がある。
【０００８】
この発明では、コアは透磁率が異なる磁性材料で形成された複数のコア部材が接合されて、磁気抵抗が異なる環状でギャップのない磁路が複数設けられているため、コイルに流れる電流が小さい場合は、透磁率が高く、磁気飽和し易い磁性材料で形成された磁気抵抗が小さい磁路によって比較的高いインダクタンス値がコイルの両端に現れる。また、コイル（巻線）に流れる電流が大きい場合は、透磁率が低く、磁気飽和し難い磁性材料で形成された磁気抵抗が大きい磁路によって比較的低いインダクタンス値がコイルの両端に現れる。従って、磁路にギャップを設けたり、巻線を磁気抵抗の異なる二つの磁路に形成するという複雑な巻線加工を行ったりすることなく、インダクタンスが小電流時には大きく、大電流時には小さくなるように非線形に変化することができる。その結果、小電流（軽負荷）時に高インダクタンス値となるチョークコイルとして用いることができる。また、各磁路にはギャップが存在しないため、漏洩磁束に起因するノイズの発生や近接効果による銅損の増加を招くことがない。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記コアは、軸方向と直交する断面形状が同じ環形状の２個のコア部材を組み合わせて構成され、前記コア部材が前記環形状の重なる並列状に配置されている。ここで、「環形状」とは、円環状に限らず四角環状や多角環状の形状を含む。この発明では、環形状が同じであるため組立や巻線が容易になる。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記コアはトロイダルコアである。この発明では、コアの形状が四角の場合に比較して磁路の長さが短くなり磁路の抵抗が小さくなるとともに、角がないため磁束が流れ易い。  
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、磁路にギャップを設けたり、巻線を磁気抵抗の異なる二つの磁路に形成するという複雑な巻線加工を行ったりすることなく、インダクタンスが小電流時には大きく、大電流時には小さくなるように非線形に変化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
（第１の実施形態）
以下、本発明をトロイダルコイルに具体化した第１の実施形態を図１〜図３に従って説明する。図１はトロイダルコイルの模式斜視図、図２（ａ），（ｂ）は作用を説明する模式図である。なお、図２（ａ），（ｂ）では、巻線の図示を省略している。
【００１３】
図１に示すように、トロイダルコイル１１は、コア１２と、コア１２の周囲に導線を巻回して形成した巻線１３とから構成されている。
コア１２は、２個（複数個）の円環状のコア部材１４，１５が接合されて構成されたトロイダルコアである。両コア部材１４，１５は、内径及び外径がそれぞれ同じに形成されている。即ち、コア１２は、軸方向と直交する断面形状が同じ環形状の２個のコア部材１４，１５を組み合わせて構成され、コア部材１４，１５が前記環形状の重なる並列状に配置されている。両コア部材１４，１５の軸方向の長さの比は、目的とする直流重畳特性に応じて変更され、両コア部材１４，１５の軸方向の長さが同じ場合、コア部材１４が長い場合、コア部材１４が短い場合がある。各コア部材１４，１５は、透磁率が異なる磁性材料で形成されている。即ち、コア１２には、磁気抵抗が異なる環状でギャップのない複数の磁路が設けられている。
【００１４】
一方のコア部材１４には透磁率が比較的高く、磁気飽和し易い材料、例えば、フェライトや鉄系のアモルファス箔帯（以下、単にアモルファス箔帯と称す。）が使用される。フェライトやアモルファス箔帯は、熱処理等の低透磁率化処理を行わずに使用される。他方のコア部材１５には透磁率が低く、磁気飽和し難い材料、例えば、センダスト、アモルファスダスト等の圧粉磁性材料が使用される。
【００１５】
巻線１３は、コア１２の周囲に、導線としての絶縁皮膜を有する銅線を所要の回数だけ巻回して形成されている。即ち、トロイダルコイル１１は、コア１２に対して複数の磁路に共通して巻回された巻線１３を備えている。
【００１６】
次に、前記のように構成されたトロイダルコイル１１の作用を説明する。
コア部材１４及びコア部材１５は、単独で巻線された場合、図３（ａ）に示すように異なった直流重畳特性を持つ。そして、両者を組み合わせて一体化したコア１２に巻線を行うことで、図３（ｂ）に示すような、直流重畳特性、即ち負荷電流が小さい時はインダクタンスが大きく、負荷電流が大きくなるに連れてインダクタンスが小さくなり、かつその変化が非線形となる直流重畳特性を得ることができる。負荷電流に対するインダクタンスの値及び変化割合は、コア部材１４，１５の材料の透磁率及び飽和磁束密度やコア部材１４，１５の軸方向の長さの比や断面積によって変化するため、それらの値を調整してコア１２を形成することにより目的とする直流重畳特性を有するコア１２を形成することができる。
【００１７】
トロイダルコイル１１の巻線１３に電流が流れると、巻線１３に流れる電流が小さい場合は、図２（ａ）に示すように、コア部材１４の磁路Ａによって比較的高いインダクタンス値が巻線１３の両端に現れる。しかし、巻線１３に流れる電流が大きくなると、図２（ｂ）に示すように、磁路Ａの磁気飽和によってインダクタンス値が低下し、コア部材１５の磁路Ｂによる比較的低いインダクタンス値が現れるようになる。従って、トロイダルコイル１１をチョークコイルに用いれば、小電流（軽負荷）時には高インダクタンス値となり、大電流（重負荷）時には低インダクタンス値となって広いレンジで電源効率が良くなる。
【００１８】
この実施形態では以下の効果を有する。
（１）コイルは、透磁率が異なる磁性材料で形成された複数のコア部材１４，１５が接合されて、磁気抵抗が異なる環状でギャップのない複数の磁路が設けられたコア１２と、コア１２に対して前記複数の磁路に共通して巻回された巻線１３とを備えている。従って、磁路にギャップを設けたり、巻線１３を磁気抵抗の異なる二つの磁路に形成するという複雑な巻線加工を行ったりすることなく、インダクタンスが小電流時には大きく、大電流時には小さくなるように非線形に変化することができる。その結果、小電流（軽負荷）時に高インダクタンス値となるチョークコイルとして用いることができる。また、各磁路Ａ，Ｂにはギャップが存在しないため、漏洩磁束に起因するノイズの発生や近接効果による銅損の増加を招くことがない。
【００１９】
（２）コア１２は、トロイダルコアである。従って、コアの形状が四角の場合に比較して磁路の長さが短くなり磁路の抵抗が小さくなるとともに、角がないため磁束が流れ易い。
【００２０】
（３）コア１２は、内径及び外径が同じで軸方向の長さが異なるように形成されている。従って、コア部材１４，１５を構成する磁性材料の組み合わせが同じであっても、コア部材１４，１５の厚さの比を変更することにより、所望の直流重畳特性を有するコア１２を得ることが可能になる。また、コア部材１４，１５の磁気材料の変更と組み合わせれば、直流重畳特性の変更調整の自由度がより高くなる。
【００２１】
（第２の実施形態）
次に第２の実施形態を図４（ａ）〜（ｃ）に従って説明する。図４（ａ）はＥＥ形コイルの模式正面図、（ｂ）は模式側面図、（ｃ）は組み付け途中を示す模式正面図である。但し、図４（ｂ）では巻線の図示を省略している。この実施形態は、コア１２の構成が前記第１の実施形態と異なっている。具体的には、コア１２がトロイダルコアではなく、ＥＥ形コアである点が大きく異なっている。第１の実施形態と同様の部分については同一符号を付してその詳細な説明を省略する。
【００２２】
ＥＥ形コイル２０は、一対のＥ形のコア部品２１ａを組み合わせたコア部材２１と、一対のＥ形のコア部品２２ａを組み合わせたコア部材２２とが接合されて構成されている。各Ｅ形のコア部品２１ａ，２２ａは、同じ形状で同じ大きさに形成されている。コア部材２１には透磁率が比較的高く、磁気飽和し易い材料、例えば、フェライトやアモルファス箔帯が使用され、コア部材２２には透磁率が低く、磁気飽和し難い材料、例えば、センダスト、アモルファスダスト等の圧粉磁性材料が使用される。
【００２３】
巻線１３は、Ｅ形のコア部品２１ａ，２２ａの中足部２１ｂ，２２ｂに設けられている。巻線１３は、中足部２１ｂ，２２ｂに導線としての絶縁皮膜を有する銅線を直接巻回して形成するのではなく、図４（ｃ）に示すように、銅線が所要の回数だけ巻回されたボビン２３に中足部２１ｂ，２２ｂを挿通することで中足部２１ｂ，２２ｂに設けられている。なお、巻線１３はボビン２３を設けずに、中足部２１ｂ，２２ｂに直接巻回された構成としてもよい。
【００２４】
この実施形態においては、ＥＥ形コイル２０の巻線１３に電流が流れると、巻線１３に流れる電流が小さい場合は、図４（ｂ）に示すように、コア部材２１の磁路Ａによって比較的高いインダクタンス値が巻線１３の両端に現れる。しかし、巻線１３に流れる電流が大きくなると、磁路Ａの磁気飽和によってインダクタンス値が低下し、コア部材２２の磁路Ｂによる比較的低いインダクタンス値が現れるようになる。
【００２５】
従って、この実施形態では、前記第１の実施形態の効果（１）と同様の効果を有する他に次の効果を有する。
（４）トロイダルコアに比較して形状の自由度が高くなる。
【００２６】
（５）トロイダルコアに比較して巻線１３の巻回作業が簡単になる。
（６）磁路の長さをトロイダルコアと同じにする場合、トロイダルコアに比較してコアの外形が占める面積が小さくなり、電源装置に取り付ける位置の自由度が高くなる。
【００２７】
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように構成してもよい。
○  環状のコア部材の形状は、トロイダルコアのように円環状に限らず四角環状等の多角環状としてもよい。
【００２８】
○  コア１２を構成する２個のコア部材１４，１５等の配置は、各コア部材１４，１５に形成される磁路Ａ，Ｂが全周にわたって平行に形成される配置に限らない。例えば、透磁率が異なる磁性材料で形成され環状の２個のコア部材２４，２５を、図５（ａ）に示すように、隣接して組み合わせた構成としてもよい。コア部材２４には透磁率が比較的高く、磁気飽和し易い材料が使用され、コア部材２５には透磁率が低く、磁気飽和し難い材料が使用される。この実施形態においては、巻線１３に電流が流れると、巻線１３に流れる電流が小さい場合は、コア部材２４の磁路Ａによって比較的高いインダクタンス値が巻線１３の両端に現れる。しかし、巻線１３に流れる電流が大きくなると、磁路Ａの磁気飽和によってインダクタンス値が低下し、コア部材２５の磁路Ｂによる比較的低いインダクタンス値が現れるようになる。
【００２９】
○  透磁率が異なる磁性材料で形成された環状の２個のコア部材２４，２５を、図５（ａ）に示すように、隣接して組み合わせた構成の場合、両コア部材２４，２５を磁路の長さが異なるように形成してもよい。例えば、透磁率が高い磁性材料で形成されたコア部材２４を磁路が短くなる形状に形成すれば、同じ磁性材料の組合せでも小電流（軽負荷）時のインダクタンス値をより大きくすることができる。
【００３０】
○  環状の２個のコア部材２４，２５を孔が隣接するように配置する構成において、図５（ｂ）に示すように、コア部材２４，２５をコ字状のコア部品２４ａ，２５ａを組み合わせて形成した構成としてもよい。
【００３１】
○  第２の実施形態におけるコア１２のように、各コア部材２１，２２がそれぞれ２個の環状磁路を有する構成の場合、コア１２の形状の全体形状がＥ形のコア部品を組み合わせたものと同じ形状であればよく、Ｅ形のコア部品を組み合わせたものに限らない。例えば、Ｅ型のコア部品とＩ型のコア部品とを組み合わせたものとしたり、図５（ｃ）に示すように、Ｆ形のコア部品を組み合わせたものとしたり、図５（ｄ）に示すように、略Ｃ形のコア部品とＴ形のコア部品とを組み合わせたものとしたりしてもよい。
【００３２】
○  コア１２は、２個の環状のコア部材を組み合わせて形成する代わりに３個以上の環状のコア部材を組み合わせて形成してもよい。この場合でも、２個のコア部の透磁率や磁路の長さ、トロイダルコアの場合の径等を調整することで、直流重畳特性をインダクタンスが小電流時には大きく、大電流時には小さくなるように非線形に変化させることができる。
【００３３】
○  実施形態の有芯コイルは、チョークコイルに限らず、トランスに適用してもよい。
以下の技術的思想（発明）は前記実施形態から把握できる。
（１）請求項１に記載の発明において、前記コアは断面Ｅ状に形成されたコア部品を含むコア部材を備えている。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】第１の実施形態におけるトロイダルコイルの模式斜視図。
【図２】（ａ），（ｂ）は作用を説明する模式図。
【図３】（ａ）は各コア部材の直流重畳特性を示すグラフ、（ｂ）はコアの直流重畳特性を示すグラフ。
【図４】第２の実施形態を示し、（ａ）はＥＥ形コイルの模式正面図、（ｂ）は作用を説明する模式側面図、（ｃ）は組み付け途中を示す模式正面図。
【図５】（ａ）は別の実施形態におけるコイルの模式図、（ｂ），（ｃ），（ｄ）はそれぞれ別の実施形態におけるコアの模式正面図。
【図６】従来技術のＥＩ形コイルの模式正面図。
【符号の説明】
【００３５】
Ａ，Ｂ…磁路、１２…コア、１３…巻線、１４，１５，２１，２２，２４，２５…コア部材。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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